Quelles quantités de combustibles sont nécessaires pour combler les besoins énergétiques mondiaux ?

Le dernier siècle a vu l’entrée de l’Homme dans l’ère de l’industrie technologique et de l’information. Chaque jour, des centaines de millions de personnes prennent les transports en commun, utilisent leur véhicule, leur ordinateur, leur téléphone, et tous les autres appareils de la vie quotidienne nécessitant de l’énergie pour fonctionner. Cette énergie provient majoritairement de sources non-renouvelables. Pour chacun de ces combustibles, quelles quantités sont nécessaires pour combler les besoins énergétiques de la planète ?

Même s’il existe plusieurs sources d’énergie renouvelable comme l’énergie hydroélectrique, solaire ou éolienne, la plus grande fraction de l’énergie produite provient de l’utilisation de combustibles et carburants non-renouvelables. Selon l’Agence d’Information sur l’Énergie des États-Unis, la quantité d’énergie générée par toutes les sources à travers le monde était de 155.481 TW (térawatts) en 2014.

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Ces sources d’énergies n’ont pas le même rendement concernant la conversion en puissance utilisable et le transport courte et longue distance. Ainsi, le total d’énergie consommée par les foyers, les entreprises et autres secteurs d’activité est légèrement inférieur : il représente environ 70% de l’énergie produite. L’énergie requise pour alimenter tous les besoins de la planète s’élève à environ 5.60×10²⁰ Joules, bien que ce nombre soit en réalité compliqué à évaluer précisément. Selon le carburant, quelle quantité doit être produite pour combler ces besoins ?

Le charbon : un polluant représentant un tiers de l’énergie mondiale

Tout d’abord utilisé comme source de chaleur de par sa structure compacte, le charbon est une forme de carbone qui peut être brûlé en présence d’oxygène, pour libérer de l’énergie. C’est de cette manière que les carburants fossiles, et plus précisément ceux basés sur le carbone, fonctionnent sur Terre, en raison de la forte abondance d’oxygène dans l’atmosphère.

Pour chaque kilogramme de charbon brûlé, un total de 2.312 × 10⁷ J est libéré. Cela signifie qu’il faudrait brûler un total de 24 milliards de tonnes de charbon dans le but de fournir l’énergie nécessaire pour combler les besoins énergétiques planétaires. Actuellement, le charbon représente un tiers de l’énergie produite dans le monde ; 8 milliards de tonnes de charbon extrêmement polluant sont ainsi brûlées chaque année.

Diesel, essence et GPL : l’essor du pétrole

Le pétrole inclut le diesel, l’essence, les carburants lourds à base de pétrole et le gaz de pétrole liquéfié (GPL). Tandis que le charbon fut le combustible majoritaire des 18ème et 19ème siècles, le pétrole a dominé le 20ème siècle avec l’avènement des automobiles et de l’aviation. Comme le charbon, le pétrole libère de l’énergie par combustion. Mais contrairement au charbon, le pétrole rapporte plus d’énergie pour la même masse de combustible.

Pour chaque kilogramme de pétrole (sous la forme d’essence) brûlé, un total de 4.64×10⁷ J est libéré. Cela signifie qu’il faudrait brûler 12 milliards de tonnes de pétrole pour combler les besoins mondiaux en énergie. Puisque le pétrole n’a commencé à être véritablement utilisé que dans les années 1850, l’on estime qu’entre 100 et 135 milliards de tonnes ont été brûlées jusqu’à aujourd’hui, avec 4 milliards de tonnes brûlées chaque année au taux d’utilisation actuel.

Le gaz naturel liquéfié : un combustible peu polluant

Remplacer les autres sources d’énergie fossiles par le gaz naturel liquéfié (GNL) a conduit à une importante diminution de la pollution environnementale ces dernières années. Le GNL fournit aujourd’hui plus de 20% de l’énergie mondiale, avec un rendement plus élevé que le charbon et le pétrole et bien moins de composants polluants que ces deux derniers.

Pour chaque kilogramme de GNL brûlé, un total de 5.36×10⁷ est libéré. Cela nécessiterait donc 10.4 milliards de tonnes de NPL brûlées chaque année pour combler les besoins énergétiques planétaires. Malgré une pollution environnementale moins importante, les quantités nécessaires demeurent très élevées, et aucune diminution importante de dioxyde de carbone n’est possible, que ce soit avec le charbon, le pétrole ou le GNL.

Centrales nucléaires, uranium et réacteurs à fission

En lieu et place de carburants basés sur le carbone, des éléments fissibles bien plus lourds présents sur Terre, comme l’uranium et le thorium, peuvent être utilisés pour produire de l’énergie. Lorsque l’uranium 235 est frappé par un neutron, il l’absorbe et se sépare en deux éléments plus légers, libérant d’autres neutrons et créant ainsi une réaction en chaîne ; c’est sur ce principe que reposent les réacteurs à fission nucléaire.

Ces réacteurs nucléaires contrôlent efficacement le taux de réaction, régulant ainsi également la production d’énergie. Bien que l’uranium 235 soit bien moins abondant que le charbon, le pétrole ou le gaz naturel, et requiert un lourd processus de raffinage, son rendement est bien plus élevé, avec 8.06×10¹³ J d’énergie libérée pour chaque kilogramme d’uranium utilisé.

Pour combler les besoins énergétiques mondiaux, seules 7000 tonnes d’uranium seraient nécessaires chaque année. Malgré ce haut rendement, l’énergie nucléaire ne fournit actuellement qu’une petite fraction de l’énergie totale produite à travers le monde, avec 444 réacteurs en fonctionnement et environ 62 autres en cours de construction.

Fusion nucléaire : la source d’énergie du futur

Bien qu’encore expérimentale, la fusion nucléaire se présente comme le Graal des sources d’énergie. Des éléments légers et abondants, comme l’hydrogène et ses isotopes, peuvent fusionner en éléments plus lourds, libérant de grandes quantités d’énergie. Ce sont ces réactions de fusion thermonucléaire qui alimentent les étoiles. L’énergie nucléaire provient de la libération d’énergie décrite par l’équivalence masse-énergie d’Einstein, E=mc².

La fusion nucléaire possède un rendement théorique supérieur à celui de la fission, soit 6.46×10¹⁴ J pour chaque kilogramme d’hydrogène utilisé. Ainsi, seuls 867 tonnes d’hydrogène annuelles seraient nécessaires pour combler les besoins énergétiques de la planète. L’abondance d’hydrogène, l’absence de pollution atmosphérique et la grande stabilité physique des réactions, font de la fusion nucléaire la source d’énergie future la plus prometteuse.

Matière-antimatière : un rendement imbattable, mais une source d’énergie peu plausible

Là où la fission et la fusion nucléaires ne libèrent qu’une fraction de la masse des éléments sous forme d’énergie, la réaction matière-antimatière présente une conversion énergétique totale. Une annihilation matière-antimatière parfaite libère en effet 8.99×10¹⁶ J d’énergie par kilogramme de matière-antimatière combinée. Ainsi, seules 3.1 tonnes d’antimatière annuelles suffiraient à combler les besoins énergétiques mondiaux.

Cela signifie que, chaque jour, 8.5 kg d’antimatière devraient être produits. Malheureusement, cette quantité est loin, très loin d’être atteignable à court ou moyen terme. En effet, le LHC, par exemple, ne produit que quelques microgrammes d’antimatière chaque année. Cette source d’énergie, bien qu’intéressante, restera donc purement théorique pendant encore un long moment.

Actuellement, plus de 10 milliards de combustibles fossiles sont brûlés chaque année à travers le monde. La conséquence directe de cette dynamique est une augmentation drastique de la pollution environnementale (eau, air, écosystèmes). Les sources d’énergie renouvelable représentent une solution partielle, mais la fusion nucléaire se présente véritablement comme la solution énergétique du futur.